Repr

1
Représentation neuronale des mélanges odorants
dans le bulbe olfactif des mammifèresPascale
Giraudet
2
Représentation neuronale des mélanges odorants
dans le bulbe olfactif des mammifèresPascale
Giraudet

• Frédéric Berthommier
• Institut de la Communication Parlée
• INPG
• Grenoble

• Michel Chaput
• Neurosciences et Systèmes Sensoriels
• CNRS - UCB Lyon 1
• Villeurbanne

3
Plan

• I. Introduction
• 1) Présentation du système olfactif des
  mammifères
• 2) Représentation spatio-temporelle des odeurs
  dans le bulbe olfactif
• 3) Problématique des mélanges
• II. Matériels et méthodes
• 1) Choix des odorants
• 2) Acquisition et représentation des données
• III. Résultats en termes de réactivité cellulaire
  aux mélanges
• 1) Définition de la réactivité cellulaire
• 2) Réactivité au mélange en fonction de la
  réactivité aux composants
• 3) Discussion sur la représentation spatiale des
  mélanges
• IV. Résultats en termes de motifs temporels
  évoqués par les mélanges
• 1) Mise en évidence d'un phénomène de dominance
• 2) Loi de composition des motifs temporels dans
  les mélanges
• 3) Discussion sur la représentation temporelle
  des mélanges
• V. Discussion
• 1) Parallèle avec la représentation des mélanges
  dans le BO des poissons
• 2) Parallèle avec la perception des mélanges
• 3) Conclusion et perspectives

4
Plan

• I. Introduction
• 1) Présentation du système olfactif des
  mammifères
• 2) Représentation spatio-temporelle des odeurs
  dans le bulbe olfactif
• 3) Problématique des mélanges
• II. Matériels et méthodes
• 1) Choix des odorants
• 2) Acquisition et représentation des données
• III. Résultats en termes de réactivité cellulaire
  aux mélanges
• 1) Définition de la réactivité cellulaire
• 2) Réactivité au mélange en fonction de la
  réactivité aux composants
• 3) Discussion sur la représentation spatiale des
  mélanges
• IV. Résultats en termes de motifs temporels
  évoqués par les mélanges
• 1) Mise en évidence d'un phénomène de dominance
• 2) Loi de composition des motifs temporels dans
  les mélanges
• 3) Discussion sur la représentation temporelle
  des mélanges
• V. Discussion
• 1) Parallèle avec la représentation des mélanges
  dans le BO des poissons
• 2) Parallèle avec la perception des mélanges
• 3) Conclusion et perspectives

5
Le système olfactif des mammifères

• Épithélium olfactif situé dans la cavité nasale
  réception des molécules rythmée par la
  respiration

Post.
Dors.
Vent.
Ant.
Épithélium olfactif
Figure adaptée de Holley Sicard, 94
6
Le système olfactif des mammifères

• Épithélium olfactif situé dans la cavité nasale
  réception des molécules rythmée par la
  respiration
• Bulbe olfactif premier relais du système
  olfactif

Post.
Dors.
Bulbe olfactif
Vent.
Ant.
Épithélium olfactif
Figure adaptée de Holley Sicard, 94
7
Le système olfactif des mammifères

• Épithélium olfactif situé dans la cavité nasale
  réception des molécules rythmée par la
  respiration
• Bulbe olfactif premier relais du système
  olfactif
• Tractus olfactif latéral (TOL)
• Cortex olfactif et entorhinal
• Néocortex fronto-orbitaire

Néocortex fronto-orbitaire
Post.
Dors.
Bulbe olfactif
Vent.
TOL
Cortex olfactif
Cortex entorhinal
Ant.
Épithélium olfactif
Figure adaptée de Holley Sicard, 94
8
Connectivité du bulbe olfactif

• Premier relais du système olfactif
• Convergence cellulaire de 1000 neurorécepteurs
  vers 1 cellule mitrale au niveau des glomérules

Figure adaptée de Shepherd, 72
9
Connectivité du bulbe olfactif

• Premier relais du système olfactif
• Convergence cellulaire de 1000 neurorécepteurs
  vers 1 cellule mitrale au niveau des glomérules
• Connectivité horizontale par interneurones
  inhibiteurs cellules périglomérulaires et
  granulaires

Figure adaptée de Shepherd, 72
10
Connectivité du bulbe olfactif

• Premier relais du système olfactif
• Convergence cellulaire de 1000 neurorécepteurs
  vers 1 cellule mitrale au niveau des glomérules
• Connectivité horizontale par interneurones
  inhibiteurs cellules périglomérulaires et
  granulaires
• Rétro-contrôle par fibres centrifuges

Figure adaptée de Shepherd, 72
11
Représentation spatiale des odeurs dans le bulbe
olfactif des mammifères

• Visualisation des zones actives dans le bulbe
  olfactif de rat
• Cartes spatiales d'activité moyenne
• différentes d'une odeur à l'autre,
• plus ou moins recouvrantes,
• croissantes en surface avec la concentration.

Lat.
Méd.
Dor.
Figure adaptée de Stewart, Kauer Shepherd, 79
12
Représentation temporelle des odeurs dans le
bulbe olfactif des mammifères
Activité d'une cellule mitrale Débit
respiratoire Stimulation
5 s.
Figure adaptée de Chaput Holley, 80
13
Représentation temporelle des odeurs dans le
bulbe olfactif des mammifères
Activité d'une cellule mitrale Débit respiratoire
Stimulation
5 s.
Figure adaptée de Chaput Holley, 80

• Étude de la répartition de l'activité cellulaire
  au cours du cycle respiratoire
• Réponse à une odeur et discrimination de deux
  odeurs par
• changement de fréquence moyenne de décharge,
• réorganisation de l'activité au cours du cycle
  respiratoire.

14
Problématique des mélanges

• Les odeurs naturelles sont des mélanges de
  plusieurs composants
• Première étude de la représentation neuronale des
  mélanges chez un mammifère
• activité unitaire des cellules mitrales du bulbe
  olfactif de rat
• stimulus modulé ? prise en compte de l'aspect
  temporel
• mélanges binaires de corps purs
• Peut-on exprimer la représentation neuronale d'un
  mélange en fonction de celles de ses composants ?
• en termes de réactivité
• en termes de motif temporel d'activité

15
Plan

• I. Introduction
• 1) Présentation du système olfactif des
  mammifères
• 2) Représentation spatio-temporelle des odeurs
  dans le bulbe olfactif
• 3) Problématique des mélanges
• II. Matériels et méthodes
• 1) Choix des odorants
• 2) Acquisition et représentation des données
• III. Résultats en termes de réactivité cellulaire
  aux mélanges
• 1) Définition de la réactivité cellulaire
• 2) Réactivité au mélange en fonction de la
  réactivité aux composants
• 3) Discussion sur la représentation spatiale des
  mélanges
• IV. Résultats en termes de motifs temporels
  évoqués par les mélanges
• 1) Mise en évidence d'un phénomène de dominance
• 2) Loi de composition des motifs temporels dans
  les mélanges
• 3) Discussion sur la représentation temporelle
  des mélanges
• V. Discussion
• 1) Parallèle avec la représentation des mélanges
  dans le BO des poissons
• 2) Parallèle avec la perception des mélanges
• 3) Conclusion et perspectives

16
Choix des odorants
Figure adaptée de Sicard et al., 80
1) acétophénone 2) anisole 3) n-butanol 4)
camphre 5) cyclodécanone 6) 1-8-cinéole 7)
p-cymène 8) d-citronellol 9) heptanol 10) acétate
d'isoamyl 11) acide isovalérique 12) limonène 13)
méthyl,amyl- cétone 14) phénol 15)
thiophénol 16) pyridine 17) menthol 18)
thymol 19) cyclohexanol 20) cyclohexanone
17
Choix des odorants
Figure adaptée de Sicard et al., 80
1) acétophénone 2) anisole 3) n-butanol 4)
camphre 5) cyclodécanone 6) 1-8-cinéole 7)
p-cymène 8) d-citronellol 9) heptanol 10) acétate
d'isoamyl 11) acide isovalérique 12) limonène 13)
méthyl,amyl- cétone 14) phénol 15)
thiophénol 16) pyridine 17) menthol 18)
thymol 19) cyclohexanol 20) cyclohexanone
18
Acquisition des données

• 31 rats anesthésiés respirant librement
• Enregistrement par une microélectrode
  extracellulaire de l'activité unitaire de 149
  cellules mitrales du bulbe
• Enregistrement simultané du débit respiratoire
• Stimulation
• par 5 molécules (ACE, CIN, ISO, CYM, MAK) et
  leurs 10 mélanges binaires
• concentration identique Pp2.9 Pa (soit environ
  1.2 10-6 mol.l-1)

BULBE OLFACTIF
NARINE
Rat anesthésié
respirant librement
CYCLES RESPIRATOIRES
TRAIN DE PA
temps
19
Acquisition des données

• 31 rats anesthésiés respirant librement
• Enregistrement par une microélectrode
  extracellulaire de l'activité unitaire de 149
  cellules mitrales du bulbe
• Enregistrement simultané du rythme respiratoire
• Stimulation
• par 5 molécules (ACE, CIN, ISO, CYM, MAK) et
  leurs 10 mélanges binaires
• concentration identique Pp2.9 Pa (soit environ
  1.2 10-6 mol.l-1)
• Découpage des cycles respiratoires
• Représentation des potentiels d'action en
  fonction de leur position dans le cycle
  respiratoire

BULBE OLFACTIF
NARINE
Rat anesthésié
respirant librement
CYCLES RESPIRATOIRES
TRAIN DE PA
temps
RASTER
PLOT
20
Représentation des données

• Découpage du cycle en 15 intervalles (bins)
• précision du découpage des cycles supérieure à
  la taille des bins
• meilleur compromis entre précision et
  élimination du bruit
• Sommation des PA sur tous les cycles dans chaque
  bin
• maintien du motif temporel de cycle en cycle,
  aussi bien pour les odeurs pures que pour les
  mélanges

21
Représentation des données

• Découpage du cycle en 15 intervalles (bins)
• précision du découpage des cycles supérieure à
  la taille des bins
• meilleur compromis entre précision et
  élimination du bruit
• Sommation des PA sur tous les cycles dans chaque
  bin
• maintien du motif temporel de cycle en cycle,
  aussi bien pour les odeurs pures que pour les
  mélanges

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
22
Représentation des données
23
Exemple
24
Plan

• I. Introduction
• 1) Présentation du système olfactif des
  mammifères
• 2) Représentation spatio-temporelle des odeurs
  dans le bulbe olfactif
• 3) Problématique des mélanges
• II. Matériels et méthodes
• 1) Choix des odorants
• 2) Acquisition et représentation des données
• III. Résultats en termes de réactivité cellulaire
  aux mélanges
• 1) Définition de la réactivité cellulaire
• 2) Réactivité au mélange en fonction de la
  réactivité aux composants
• 3) Discussion sur la représentation spatiale des
  mélanges
• IV. Résultats en termes de motifs temporels
  évoqués par les mélanges
• 1) Mise en évidence d'un phénomène de dominance
• 2) Loi de composition des motifs temporels dans
  les mélanges
• 3) Discussion sur la représentation temporelle
  des mélanges
• V. Discussion
• 1) Parallèle avec la représentation des mélanges
  dans le BO des poissons
• 2) Parallèle avec la perception des mélanges
• 3) Conclusion et perspectives

25
Définition de la réactivité

• La réactivité n'est pas définie en termes
  d'intensité moyenne, mais en termes de motif
  temporel d'activité
• Comparaison du motif spontané et du motif évoqué
• motifs significativement différents ? réponse de
  la cellule (R)
• motifs non significativement différents ? pas de
  réponse (NR)
• Principe du test de comparaison
• un motif une réalisation d'un processus de
  Poisson non stationnaire
• H0 "les deux motifs sont deux réalisations du
  même processus de Poisson"
• rejet de H0 avec un risque de première espèce
  plt0.05

26
Exemple de la réactivité d'une cellule
27
Réactivité aux odeurs pures
28
Réactivité aux odeurs pures
29
Réactivité aux mélanges
30
Réactivité aux mélanges
31
Réactivité aux mélanges
Réactivité à XY ? réactivité à X ou réactivité à Y
32
Réactivité au mélange en fonction de la
réactivité à ses composants
33
Réactivité au mélange en fonction de la
réactivité à ses composants
34
Représentation populationnelle des mélanges
ISO
ISOCYM
CYM
Représentation populationnelle
Représentation populationnelle
des composants isolés
de leur mélange
MAK
ISO
ACECINISO CYMMAK
ACE
CYM
CIN
35
Plan

• I. Introduction
• 1) Présentation du système olfactif des
  mammifères
• 2) Représentation spatio-temporelle des odeurs
  dans le bulbe olfactif
• 3) Problématique des mélanges
• II. Matériels et méthodes
• 1) Choix des odorants
• 2) Acquisition et représentation des données
• III. Résultats en termes de réactivité cellulaire
  aux mélanges
• 1) Définition de la réactivité cellulaire
• 2) Réactivité au mélange en fonction de la
  réactivité aux composants
• 3) Discussion sur la représentation spatiale des
  mélanges
• IV. Résultats en termes de motifs temporels
  évoqués par les mélanges
• 1) Mise en évidence d'un phénomène de dominance
• 2) Loi de composition des motifs temporels dans
  les mélanges
• 3) Discussion sur la représentation temporelle
  des mélanges
• V. Discussion
• 1) Parallèle avec la représentation des mélanges
  dans le BO des poissons
• 2) Parallèle avec la perception des mélanges
• 3) Conclusion et perspectives

36
Comparaison des motifs temporels d'activité
37
Mise en évidence dun phénomène de dominance
Dominance 78
Pas de dominance 22
38
Caractérisation du composant dominant

• Un composant a d'autant plus de chance de dominer
  le motif d'activité évoqué par un mélange que
• la cellule est réactive à ce composant,
• le taux de réactivité à ce composant est élevé,

39
Caractérisation du composant dominant

• Un composant a d'autant plus de chance de dominer
  le motif d'activité évoqué par un mélange que
• la cellule est réactive à ce composant,
• le taux de réactivité à ce composant est élevé,
• la synchronisation de son motif évoqué est
  forte.

40
Principe de projection

• Les vecteurs VX et VY, non colinéaires,
  définissent un plan
• Projection orthogonale de VXY sur ce plan

VXY
R
VY
VX
41
Principe de projection

• Les vecteurs VX et VY, non colinéaires,
  définissent un plan
• Projection orthogonale de VXY sur ce plan
• Expression du projeté dans le repère défini par
  VX et VY

VXY
R
VY
aY
VX
aX
42
Exemple de coefficients (?X,?Y)
0
0.9
0.7
0.0
1.0
0.8
0.1
0.0
0.1
0.7
0.0
0.0
0.9
1.1
0.0
0.0
0.8
0.0
0.8
43
Loi de composition des motifs dans les mélanges

• Coefficients compris entre 0 et 1
• Somme des coefficients égale à 1
• Résidu de projection faible

le motif évoqué par le mélange est une moyenne
pondérée des motifs évoqués par ses composants

• Répartition bimodale des coefficients ?
  dominance

44
Vérification du phénomène de dominance
45
Évolution des coefficients de pondération avec la
concentration relative des composants

• Le coefficient de pondération dun composant
  augmente avec sa concentration relative
• en moyenne
• composant par composant

Coefficient moyen de projection sur X fonction de
log(X/Y)
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
Coefficient moyen de projection sur X
X ACE
0.3
X CIN
X ISO
0.2
X CYM
0.1
X MAK
tout X
0
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
log(X/Y)
46
Évolution des coefficients de pondération avec la
concentration relative des composants

• Le coefficient de pondération dun composant
  augmente avec sa concentration relative
• en moyenne
• cas par cas transition de dominance autour
  d'un seuil variable d'une cellule à l'autre

47
Représentation temporelle des mélanges
ISO
ISO
CYM
CYM
Représentation temporelle
Représentation temporelle
des composants isolés
de leur mélange
MAK
MAK
ISO
ISO
ACE
ACE
CYM
CYM
CIN
CIN
48
Plan

• I. Introduction
• 1) Présentation du système olfactif des
  mammifères
• 2) Représentation spatio-temporelle des odeurs
  dans le bulbe olfactif
• 3) Problématique des mélanges
• II. Matériels et méthodes
• 1) Choix des odorants
• 2) Acquisition et représentation des données
• III. Résultats en termes de réactivité cellulaire
  aux mélanges
• 1) Définition de la réactivité cellulaire
• 2) Réactivité au mélange en fonction de la
  réactivité aux composants
• 3) Discussion sur la représentation spatiale des
  mélanges
• IV. Résultats en termes de motifs temporels
  évoqués par les mélanges
• 1) Mise en évidence d'un phénomène de dominance
• 2) Loi de composition des motifs temporels dans
  les mélanges
• 3) Discussion sur la représentation temporelle
  des mélanges
• V. Discussion
• 1) Parallèle avec la représentation des mélanges
  dans le BO des poissons
• 2) Parallèle avec la perception des mélanges
• 3) Conclusion et perspectives

49
Études de la représentation des mélanges odorants

• Invertébrés
• Neurorécepteurs
• Insectes Akers Getz, 93, Getz Akers,
  97
• Vickers, Christensen
  Hildebrand, 98
• Crustacés Cromarty Derby, 97, Gentilcore
  Derby, 98
• Ache, Cromarty Derby
• Lobe antennaire
• Insectes Joerges et al., 97
• Vertébrés
• Neurorécepteurs
• Poissons Caprio, Dudek Robinson, 89
• Bulbe olfactif
• Poissons Kang Caprio, 95

50
Parallèle avec la représentation des mélanges
dans le bulbe olfactif du poisson
Poisson Kang Caprio, 95
Mammifères

• Représentation populationnelle
• réactivité en fréquence moyenne

• Représentation populationnelle
• réactivité en motifs temporels

51
Parallèle avec la représentation des mélanges
dans le bulbe olfactif du poisson
Poisson Kang Caprio, 95
Mammifères

• Représentation populationnelle
• réactivité en fréquence moyenne

• Représentation populationnelle
• réactivité en fréquence moyenne

• Représentation temporelle
• motifs de 25 bins de 0.2 s
• 71 de dominance

• Représentation temporelle
• motifs de 15 bins de 0.05 s
• 78 de dominance

52
Parallèle avec la perception des mélanges chez
l'homme
Intensité perçue d'un mélange binaire
Berglund et al., 73
Laing et al., 84
?2XY ?2X ?2Y 2 ?X ?Y cos?XY
53
Parallèle avec la perception des mélanges chez
l'homme
Intensité perçue d'un mélange binaire
Berglund et al., 73
Laing et al., 84
?2XY ?2X ?2Y 2 ?X ?Y cos?XY
Taux de réactivité des cellules mitrales à un
mélange binaire
p(XY) p(X?Y) p(X) p(Y) - p(X?Y) p2(XY)
p2(X) p2(Y) 2 p(X) p(Y) cos?XY
54
Parallèle avec la perception des mélanges chez
l'homme
Intensité perçue d'un mélange binaire
Berglund et al., 73
Laing et al., 84
?2XY ?2X ?2Y 2 ?X ?Y cos?XY
Taux de réactivité des cellules mitrales à un
mélange binaire
p(XY) p(X?Y) p(X) p(Y) - p(X?Y) p2(XY)
p2(X) p2(Y) 2 p(X) p(Y) cos?XY
55
Parallèle avec la perception des mélanges chez
l'homme
Intensités perçues des composants
Laing et al., 83 84
Qualité perçue du mélange binaire
Perception de X et Y (perception analytique)
Perception de X (masquage de Y)
56
Parallèle avec la perception des mélanges chez
l'homme
Intensités perçues des composants
Laing et al., 83 84
Qualité perçue du mélange binaire
Perception de X et Y (perception analytique)
Perception de X (masquage de Y)
Taux de réactivité aux composants
Une partie des motifs est dominée par X et une
partie des motifs est dominée par Y
Tous les motifs sont dominés par X
Taux de dominance des composants du mélange
binaire
57
Conclusion

• Première étude de la représentation temporelle
  des mélanges
• La population mitrale réactive à un mélange
  binaire est l'union des populations réactives à
  chacun de ses composants
• nécessité de prendre en compte l'aspect temporel
• corrélation entre taille de la carte d'activation
  et intensité perçue ?
• représentation ambiguë pour mélanges complexes
• La dimension temporelle de l'activité cellulaire
  permet de représenter en parallèle chacun des
  composants du mélange, et leurs concentrations
  relatives
• permet de lever l'ambiguïté dans le cas de
  mélanges complexes
• adéquation avec la qualité perçue ?
• Première proposition de représentation
  spatio-temporelle des mélanges

58
Perspectives

• Niveau d'apparition du phénomène de dominance ?
• étude des mélanges au niveau des neurorécepteurs
  des mammifères
• La dominance un effet unitaire ou coopératif ?
• étude des relations spatiales de dominance
• Caractérisation des seuils d'inversion de la
  dominance
• compléter l'étude sur l'évolution de la dominance
  avec la concentration
• relation entre seuils d'inversion de dominance
  et seuils de réactivité ?
• Observations généralisables à tous les mélanges ?
• étude de mélanges ternaires, et plus complexes
• Modélisation des résultats expérimentaux
• confrontation des résultats expérimentaux avec
  différents modèles du bulbe olfactif
• mise au point d'un modèle du bulbe olfactif
  compatible avec nos observations

59
(No Transcript)